行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
蛋白質衍生物型界面活性劑之合成及其應用(1/2)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2216-E-011-023-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學高分子工程系
計畫主持人： 陳耿明
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 5 月 19 日
進度報告
計畫名稱 : 蛋白質衍生物型界面活性劑之合成及其應用(1/2) 計畫編號 : NSC 94-2216-E-011-023
執行期限 : 94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日 主持人 : 陳耿明
執行機構 : 國立台灣科技大學高分子系所
摘要
本報告內容為蛋白質衍生物型界面活性劑之應用性能 探討。包括合成界面活性劑之洗淨性、乳化性、分散 能力、耐硬水性。評估乳化性之方法為測定合成物與 橄欖油製成之乳化液滴之粒徑，結果顯示合成物具有 良好之乳化能力。分散性及耐硬水性之測試結果顯 示，合成物對碳酸鈣及金屬皂具有分散效果。合成物 並顯示具有良好之金屬離子螯合能力。在工業上之應 用性能測試方法為進行天然纖維棉織物之精練處理。
精練效果之評估方法為測試精練布之吸水高度及白 度。結果顯示合成物之添加具有增進白度及增加精練 布之吸水能力，對棉織物具有良好之精練效果。
一、前言
界面活性劑是特用化學品中最具重要性之產品之 一。由於其具有獨特之機能性，為一項多種類，少量 生產，而技術層次較高之化學產品。其附加價值高，
可應用於各種產業上，增進產業之生產合理化，改善 品質及性能。此外，也大量應用於日常生活相關之產 品中，利用界面活性劑之洗淨性、乳化性、起泡性、
滲透性及分散性等界面性質，作為家庭用衣物洗劑、
廚房及玻璃清潔劑、浴用肥皂沐浴乳、洗髮精及化妝 品等產品之用途。
目前一般所使用之界面活性劑，除生物分解性差，
容易造成環境污染之問題外，使用時對使用者之毒性問 題亦經常發生。存在於自然界之天然有機化合物，通常 為微生物所喜好之食物，因此以天然物或其衍生物為原 料所製成之產物，常具有較佳之生物分解性。蛋白質是 自然界中存在量甚多之另一種有機高分子，在動物及植 物體內皆扮演重要之機能。在工業上，蛋白質及其衍生 物或加水分解物，
常添加在日常生活相關之各種產品內，呈現相當特殊
之效果。但此類用途之蛋白質或其衍生物，必須是水 溶性且其加入不會影響原產品之良好物性，如洗淨 性、起泡性等。因此以蛋白質或其衍生物為原料，構 造中導入適當之基團，使其呈現界面性質，所得之產 物，不僅是優秀之添加劑，且本身是優秀之界面活性 劑。
本研究以蛋白質為原料，合成一系列含 polypeptide 或 oligopeptide 構造之界面活性劑，所合成 之蛋白質衍生物型界面活性劑，除具有一般傳統界面 活性劑之界面性質外，其特殊之構造，使其具有低毒 性及生物分解性。除在學術研究上有價值外，在經濟 價值上，使用生物來源之蛋白質為原料，提高農產品 之附加價值，降低環境污染，其經濟價值高。
本報告內容為使用上年度所合成之蛋白質衍生 物型界面活性劑，進行其應用性能之探討。包括合成 界面活性劑之洗淨性、乳化性、分散能力、耐硬水性。
在工業上之應用性能測試方法為進行天然纖維棉織物 之精練處理。
二、實驗方法
使用之合成蛋白質衍生物型界面活性劑
產物 原料 外觀
I gelatin hydrolyzate succinic anhydride
琥珀色液狀
II gelatin hydrolyzate (2-nonen-1-yl)succinic anhydride
琥珀色液狀
III gelatin hydrolyzate (2-dodecen-1-yl)succinic anhydride
褐色黏稠液狀
IV gelatin hydrolyzate methanol
琥珀色液狀
V gelatin hydrolyzate 琥珀色液狀
pentyl alcohol
VI gelatin hydrolyzate decylalcohol
褐色黏稠液狀
VII gelatin hydrolyzate dodedecyl alcohol
褐色黏稠液狀
VIII gelatin hydrolyzate octadecyl alcohol
褐色黏稠液狀
2-2 應用性能測試 2-2-1 乳化性
(1) 配製不同濃度之橄欖油-助劑乳化液。
(2) 以均質機（IKA Labortechnik Ultra-Turrax T125 homogenizer），在轉速11000rpm下，攪拌5分 鐘。
(3) 以粒徑分析儀（Microtrac S3000）測定乳液液 滴之平均粒徑。
2-2-2 CaCO
3
dispersancy測試分散溶液中 CaCO
3
粒子沉降至一半高 度所需時間。2-2-3 鈣離子螯合能力之測定
以 EDTA 直接滴定法測定 2-3 工業上應用性能探討
2.3.4.1 精練、漂白試驗之測定
三、結果與討論 3-1 乳化能力
在許多織物加工程序中，例如精練和染色，必須 加入界面活性劑到染浴中以去除纖維上之油類不純 物，在這些去除程序中，界面活性劑乳化油類不純物 的能力是相當重要的，明膠衍生物界面活性劑的乳化 能力如圖 1 所示。一般而言，粒徑分佈愈窄，粒徑愈 小者，具有較好之乳化安定能力。由此圖中可看出乳 化安定能力大小為 Gelatin hydrolyzate＜I＜II＜III，亦 即所附加之烷基鏈長愈長者，具有較窄之粒徑分佈，
粒徑大小較小，乳化安定性較好。未改質明膠和改質 明膠衍生物界面活性劑在各種濃度（1-10mg/ml）下所 製備之乳液其平均粒徑圖如圖 2 所示。改質後之明膠 衍生物界面活性劑隨著產物濃度的增加，平均粒徑愈 小，乳化效果愈好。且隨附加到蛋白質分子上的烷基
鏈長愈長時，平均粒徑愈小，亦即，C12 改質的明膠 具有較佳之乳化能力。
3-2 CaCO
3
的分散性染色時如果水中有 CaCO
3
存在，易附著在織物表 面而造成染斑影響織物之光澤與質感，因此需將水中 的 CaCO3
分散，降低纖維表面之附著，不致使織物的 光澤、質感變差。加入的界面活性劑如能具有多項優越性質，則在染整應用上可節 省其它併用葯劑的使用，且可降低成本。合成之一系 列界面活性劑對 CaCO
3
之分散能力結果如表所示。由 表 1 可知，合成之界面活性劑對 CaCO3
都具有較長的 沉降時間，即表示對 CaCO3
具有分散效果。一系列界 面活性劑對 CaCO3
的分散能力良好，乃因為加入之界 面 活 性 劑 分 子 在 水 溶 液 中 疏 水 基 的 部 分 可 吸 附 在 CaCO3
顆粒之表面上，而親水基朝向水溶液。因而 CaCO3
顆粒之間，藉由表面電性相同而互相排斥，而 分散於溶液中，故可降低 CaCO3
顆粒之間的凝集速度。3-3 鈣離子螯合能力
一般未經純化處理的水通常含有金屬離子，而 它會存在於帶電織物和污垢粒子間，增加兩者的結 合能力，造成洗淨效果降低，因此在染整加工過程 中，常常須要加入金屬螯合劑來控制水質。若是一 個分子或離子中，同時含有兩個或更多具有未共用 電子對的原子，假如其在空間排列位置適宜，這些 未共用電子對可與一個以上之金屬離子配位而形成 一個環，此由一配位形成一個環的現象稱之為螯 合。EDTA為常見的水質控制劑，它本身含有四個 -CH
2
COONa基團，易與游離之金屬離子產生配位結 合，形成安定的配位化合物。由 圖 3 顯 示 ， 隨 著 c h e l a t i n g a g e n t 加 入 時 ， C a+ 2
離 子 含 量 隨 之 減 少，此 表 示 所 合 成 之 系 列 產 物，均 有 C a+ 2
離 子 螯 合 能 力 。 由 圖 3 - 1 7 可 看 出 ， 隨 著 疏 水 基 減 少 ， C a+ 2
離 子 含 量 相 對 增 加 ， 表 示 疏 水 基 的 長 鏈 可 能 產 生 阻 礙 其 對 C a+ 2
離 子 螯 合 的 能 力 會 減 少 ， 使 得 一 系 列 產 物 對 C a+ 2
離 子 螯 合 之 能 力 大 大 增 加 。3-4 精練性
不論纖維本身含有之一次不純物或於加工過程 中所造成之二次不純物等都會對加工助劑向纖維的附 著、滲透產生影響。以棉纖維之精練為例，使用強鹼 使不溶性的果膠醣轉化成水溶性的果膠酸鈉，同時也 可使棉腊、灰分脂肪質失水解成水溶性物質而予以去 除。由於棉纖維的耐鹼性很強，可使用高溫強鹼處理，
一般的強鹼其浸透性及乳化力並不佳，需併用界面活 性劑以促使不純物的乳化及分散。本研究所合成之界 面活性劑，單獨作為精練劑使用時，具有明顯之精練 效果。纖維漂白時所使用之過氧化氫，可因鹼的存在 而活化，然此活化反應又會因水中金屬離子的影響或 加工溫度過高而急速進行，在此情形下，纖維易受損 害，故一般會添加螯合劑或安定劑。減少工程道數，
縮短製程時間，節省人工、能源，是工程合理化的目 標。精練、漂白兩道工程的合併，是目前業界因應工 程合理化所做的製程改良方式之一。
由表 2 可知，僅加強鹼做精練處理時，雖然鹼 劑可將油脂不純物皂化除去，但棉胚布還是較無吸水 性，可見在棉布上還有相當多的雜質未去除。當添加 一系列合成產物於精練液中時，所有產物皆能提高棉 胚布之吸水性，且隨疏水基的增加，吸水性愈好，精 練效果愈佳。此乃由於棉胚布上之污垢經鹼皂化後，
部分水溶性不好之油脂、污垢必須利用界面活性劑將 污垢包圍，推至液面，將雜質清除，吸水性自然提高。
將精練布行漂白處理之後，觀察其漂白之後的吸 水性、白度及黃度。由表 3、4 結果顯示，布先精練再 漂白和精練、漂白一浴法相比，布先精練再漂白不論 是吸水性、白度及黃度都比精練、漂白一浴法來得好，
其原因為所添加合成產物於漂白溶液中，可使吸水性 增加，這是由於界面活性劑在漂白溶液中再度去除附 著在棉胚布表面上的雜質，所以加強漂白劑的滲透，
增強漂白效果，故漂白後白度增加、黃度下降。
結論
本報告內容為蛋白質衍生物型界面活性劑之應用性能 探討。包括合成界面活性劑之洗淨性、乳化性、分散 能力、耐硬水性。評估乳化性之方法為測定合成物與
橄欖油製成之乳化液滴之粒徑，結果顯示合成物具有 良好之乳化能力。分散性及耐硬水性之測試結果顯 示，合成物對碳酸鈣及金屬皂具有分散效果。合成物 並顯示具有良好之金屬離子螯合能力。在工業上之應 用性能測試方法為進行天然纖維棉織物之精練處理。
精練效果之評估方法為測試精練布之吸水高度及白 度。結果顯示合成物之添加具有增進白度及增加精練 布之吸水能力，對棉織物具有良好之精練效果。
參考文獻
1. R.D.Swisher, Surfactant Biodegradatuon (1987) 2. Dieter Balzer, Nonionic Surfactants (2000) 3. 吉田時行, 界面活性劑 HandBook (1996) 4. H.Moeller, USP 4705682 (1987)
5. USP 2411215 (1946)
6. T.Yoshimura, Surfactants and Detergents, 5, 257 (2002)
7. S. Magdassi, Surface Activity of Proteins: Chemical and Physicochemical Modifications, Marcel Dekker, New York (1996)
表 1 合成物對 CaCO
3
的分散能力產物 CaCO
3
沈降時間 (hrs) H2
O 10I ＞12
II ＞12
III ＞36
IV 72
V 48
VI 17
VII 13
VIII 16
表 2 棉胚布經處理後之吸水高度
表 3 棉胚布經產物處理後之白度（E313）
處理方式 藥劑配方
精練、漂白 批次處理
精練、漂白 一浴法
NaOH 54.18 52.54 NaOH+Ⅰ 55.07 53.3 NaOH+Ⅱ 54.21 53.19 NaOH+Ⅲ 55 53.18 NaOH+Ⅳ 54.25 52.59 NaOH+Ⅴ 54.69 52.77 註:棉胚布白度為 31.13
表 4 棉胚布經產物處理後之黃度（E313）
處理方式 藥劑配方
精練、漂白 批次處理
精練、漂白 一浴法
NaOH 7.95 8.52 NaOH+Ⅰ 7.72 8.26 NaOH+Ⅱ 7.89 8.27 NaOH+Ⅲ 7.73 8.25 NaOH+Ⅳ 7.88 8.43 NaOH+Ⅴ 7.74 8.32 註:棉胚布黃度為 14.33
0 25 50 75 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Vo lu m e ( % )
Size (microns) Gelatin-hydrolyzate I
II III
圖 1 合成物之粒徑分佈圖
0 2 4 6 8 10
14 16 18 20 22
Dr opl et Diam et er ( u m)
Concentration (mg/ml)
Gelatin-hydrolyzate I
II III
圖 2 合成物在不同濃度之粒徑分佈圖
25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
0 1 2 3 4 5 6
amount of surfactant(ml)
ha rdne ss (m g /l )
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
圖 3 合成物之鈣離子螯合能力
精練、漂白批次處理 處理方式
藥劑配方
精練後 漂白後
精練、漂白 一浴法
NaOH 1 1.3 1 NaOH+Ⅰ 1.4 1.6 1.5 NaOH +Ⅱ 1.6 1.7 1.6 NaOH +Ⅲ 1.6 1.8 1.7 NaOH +Ⅳ 1.7 2.3 1.8 NaOH +Ⅴ 1.7 2.1 1.8
